单片机学习笔记9--串口通信（基于百问网STM32F103系列教程）_stm32f103支持rs422吗

第九章 串口通信

在平常的开发调试过程中，最常用的方式就是使用串口输出打印进行调试。相较于其他的通信方式，串口通信更加方便，快捷。

下面先介绍一些关于串口通信的基础知识。

一、基础知识

1、通信电平

之前说过，通信的就是模块之间进行数据传输。传输的数据就是逻辑0和逻辑1。那么如何定义逻辑0和1呢。

常用的有TTL、RS485、RS422、RS232。在不同的应用环境下，选择不同的电平标准。

需要注意的是，RS422、RS232、RS485他们三个需要经过电平转化芯片，把自己变成TTL电平才可以与芯片连接。也就是说不管是什么类型的通信，最终都是TTL电平与芯片相连，只不过是TTL的电平值的高低有所不同。

通常TTL适合近距离通信，一般只有几厘米；RS422、RS232、RS485可以用于远距离通信。

2、相关概念

1、波特率：之前介绍过说波特率是系统在单位时间内传输的码元的个数。码元就是通信线上的电平。波特率的简单理解就是每秒传输的bit的个数，比如每秒传输9600个bit，那么波特率就是9600。
2、起始位：表示传输数据的开始，是一帧数据的第一位，表示从这一位以后开始，后面的数据就是要传输的数据。
3、数据位：实际想要传输的数据，在起始位之后，校验位和停止位之前。
4、校验位：用来校验数据传送的正确性。分为奇校验和偶较远。校验位是可选的，可以使用。
5、停止位：它是一帧数据的结束标志，表示这一帧数据结束了。

3、数据传输过程

1、收发双方约定好波特率、数据格式(数据位个数、停止位个数、是否使用校验位、奇校验还是偶校验)，假设数据位是8，停止位是1，校验位是1；
2、初始电平为逻辑1；
3、发送方输出逻辑0（起始位信号），并保持1位的时间；接收方检测到逻辑0，就知道对方准备发送数据了；
4、发送方根据数据的bit是0还是1，设置引脚电平，并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，得到bit0或1；
5、重复第4步，直到所有的数据发送完毕（这里以8位数据为例）。
6、发送方计算出校验值，设置引脚，并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，得到校验值；这步可以省略；
7、发送方输出逻辑1（停止位信号），并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，直到数据传输结束；

二、STM32的串口

在嵌入式领域串口一般用来:调试、打印信息；连接外部模块，传输数据；连接工控设备。

STM32F103有3个通用同步异步收发器（Universal synchronous asynchronous receiver transmitter，USART），2个通用异步收发器（Universal asynchronous receiver transmitter，UART）。USART和UART的主要区别在于，USART支持同步通信，该模式有一根时钟线提供时钟。

STM32F103一共有5个串口。3个USART和2个UART。他们支持的功能如下图所示。

1、USART框图

根据USART的框图大体可以把USART的结构分为4部分。

1：引脚部分

最主要的引脚是TX：数据发送和 RX：数据接收这两个引脚。

CK：在同步模式时，用于输出时钟；

SW_RX、RTS、CTS这三个引脚不常用。

2：数据收发寄存器

这里面有两种寄存器，分别负责数据的发送和接收。

其中的两个移位寄存器，负责将数据进行准换，实现数据在传输时，是一位一位的发送和接收。

在UART中，只有一个寄存器USART_DR，是个双向寄存器，若CPU对这个寄存器进行读操作，就是读数据RDR；若CPU对USART_DR进行写操作，就是写数据TDR。

3、控制管理单元

这部分是对串口进行设置的。

CR1、2、3是控制寄存器，负责各种功能的使能。CR1主要用于配置USART的数据位、校验位和中断使能，CR2用于配置USART的停止位和SCLK时钟控制，CR3用于CTS硬件流控制、DMA多缓冲控制等。

SR是状态寄存器，表明UART的各种状态。

GTPR是SmartCard和IrDA模式下专用的寄存器。

4、波特率发生器

这部分有一个USART_BRR寄存器，用于设置串口通信数据传输速率也就是波特率。
$Baudrate=\frac{f_{PCLK}}{16\ast USARTDIV}$
设波特率为115200，当前USART时钟为72MHz，则USARTDIV=72000000/(115200*16)=39.0625。
USART_BRR寄存器使用高12位[15:4]存放整数部分，低4位[3:0]存放小数部分，小数部分每一位对应1/(2^4)=0.0625。因此，整数39对应16进制为0x27，左移4位为0x270，小数0.0625，对应0x1，USART_BRR=0x271。
USART1挂载APB1上，USART2、3和USART4、5挂载APB2上。

2、使用过程

1、选择使用的串口，得到地址。

2、操作BRR寄存器，设置波特率。

3、根据需求操作各种寄存器，设置停止位、校验位、同步时钟使能位。

4、使能发送和接收位。

5、根据需求使能发送和接收的中断位。

6、使能具体的时钟。

7、使能串口。

8、读USART_DR寄存器接收数据；写USART_TR寄存器发送数据。

3、HAL库实验

HAL库初始化USART的流程很简单。

1、定义结构体。

2、设置结构体成员。

3、使能时钟、设置引脚复用模式。

注意：printf()和scanf()这两个函数一般只用于调试打印信息使用，在具体发布的工程中不宜使用，因为他们消耗时间比较久。

用到的结构体和常用函数如下：

结构体成员：

uint32_t BaudRate;设置波特率

uint32_t WordLength;设置数据位长度，在HAL库中只有8位和9位两种长度。

uint32_t StopBits;停止位，可选0.5、1、1.5、2四种。

uint32_t Parity;校验位，有奇校验、偶校验和不使用校验。

uint32_t Mode;工作模式，可以选择只发送、只接受和发送接收都可以。

uint32_t HwFlowCtl;设置是否支持硬件流控制。

uint32_t OverSampling;设置过采样。

一般来说后两种成员用不到。

在设置完结构体成员之后，调用HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart)初始化即可。

注意1：HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart)这个初始化函数的参数不是上面的结构体UART_InitTypeDef，而是UART_HandleTypeDef这个结构体。成员配置的结构体UART_InitTypeDef是UART_HandleTypeDef其中的一个成员。

在配置串口的一些寄存器的时候，要先失能串口才能进行配置，配置完成之后再使能串口。HAL库中已经实现，用户不用担心，知道这个情况即可。

串口发送函数：

HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

串口接收函数：

HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

参数：huart是具体的串口；pData是发送或接受数据的首地址；Size是发送或接受数据的个数；Timeout是一个超时时间，若在发送或接受函数中，Timeout是超时时间，代表某次执行函数，最多占用串口的时间，单位是毫秒。简单来说，在本次数据发送完之前，不能发送别的数据。所以，调用函数的时候要指明参数，本次发送占用多长时间，在此期间，由于串口资源被独占，不能成功调用发送函数。如果在规定的时间内，数据发送完毕，那就释放占用的串口资源；如果到了时间，即便数据还没有发送完毕，（比如数据量很大），仍需要归还串口资源的控制权，让别人来用。此时函数返回值是HAL_TIMEOUT。

4、printf和scanf重定向

printf和scanf在内部会调用fgetc和fputc，所以重新编写fgetc和fputc就可以在printf和scanf内部加入串口发送和接收功能了。

5、实验代码

串口接收到“kaishi”。

接收数据放在receivenum中，可以看到在开始的时候数值为0，然后接收到数据5（ASCII格式）。

6、注意事项

在使用HAL_UART_Transmit和HAL_UART_Receive这两个函数的时候，第一个参数huart不是具体的串口，而是UART_HandleTypeDef类型的串口句柄。在初始化的时候，UART_HandleTypeDef中的第一个成员Instance才是具体的串口，husart.Instance = USARTA;

也就是调用这两个函数的时候：

HAL_UART_Transmit(&USARTA, “Hello Word”, 10, 1000);错误

UART_HandleTypeDef *huart

HAL_UART_Transmit(&huart, “Hello Word”, 10, 1000);正确

在用HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart)初始化的时候，参数也是UART_HandleTypeDef 类型的，而不是具体的串口类型USART_TypeDef USART1。

配置串口就两部分，一个是配置引脚，一个是配置串口模式。注意配置引脚要在配置串口之前，因为在串口初始化函数HAL_UART_Init中，会调用HAL_UART_MspInit这个函数对引脚进行配置，要是先初始化串口，此时在内部串口的引脚就初始化了，但是实际上串口的引脚没有配置，然后在外部对串口的引脚配置好了，这时候配置好的引脚和串口连接不上，所以串口无法使用。所以要先配置引脚在配置串口。或者重定位HAL_UART_MspInit这个函数，在这个函数内部进行引脚配置，在串口初始化的时候会自动调用这个函数，完成串口和引脚的关联。